Генная мутация

ГЕННЫЕ МУТА ЦИИ Генные мутации выражаются в изменении структуры отдельны х участков ДНК. По своим механизмам и последствиям генные мутации делятся на две группы : мутации без сдвига рамки считывания и мутации со сдвигом рамки считыва ния. Мутации без сдвига рамки считывания происходят в результате замены нук леотидных пар, при этом общая длина ДНК не изменяется. В результате возмо жна замена аминокислот, однако из-за вырожденности генетического кода в озможно и сохранение структуры белка. Пример 1. Замена аминокислотного остатка в составе полипептида (миссенс – мутации). В состав молекулы гемоглобина человека входят две a– цепи (a– цепь закодирована в 16-ой хромосоме) и две b– цепи (b– цепь закодирована в 11-о й хромосоме). В состав b– цепи входит 146 аминокислотных остатков, при этом в нормальной b– цепи шестым аминокислотным остатком является глутаминов ая кислота. С участием нормальной b– цепи образуется нормальный гемогло бин – HbA. В нетранскрибируемой нити участка ДНК, кодирующего b– цепь, глут аминовая кислота закодирована триплетом ГАА. Если же в результате мутац ии в ДНК произойдет замена триплета ГАА на триплет ГТА, то на месте глутам иновой кислоты в молекуле гемоглобина в соответствии с генетическим ко дом появится валин. В итоге вместо гемоглобина HbA появится новый гемоглоб ин – HbS. Такая замена всего лишь одного нуклеотида и одной аминокислоты п риводит к развитию тяжелого заболевания – серповидноклеточной анемии . На клеточном уровне эта болезнь проявляется в том, что эритроциты приобр етают форму серпа и теряют способность к нормальному транспорту кислор ода. Гомозиготы HbS/HbS умирают в раннем детстве. Зато гетерозиготы HbA/HbS характе ризуются слабо измененными эритроцитами. При этом изменение формы эрит роцитов значительно повышает устойчивость гетерозигот к малярии. Поэт ому в тех регионах Земли, где свирепствует малярия (например, в Африке), от бор действовал в пользу гетерозигот. Таким образом, серповидноклеточна я анемия – это пример относительности «полезности» и «вредности» мута ций. Пример 2. Мутация без замены аминокислотного остатка в составе полипепти да (сеймсенс– мутации). Если в нетранскрибируемой нити участка ДНК кодир ующего b– цепь гемоглобина, произойдет замена триплета ГАА на триплет ГА Г, то из-за избыточности генетического кода замены глутаминовой кислоты не произойдет. В итоге структура b– цепи гемоглобина не изменится, и в эри троцитах будет обнаруживаться только нормальный гемоглобин HbA. Таким об разом, вовсе не любая генная мутация проявляется в фенотипе. Особую группу образуют ликовые мутации, в результате которых происходи т незначительное изменение характеристик конечного продукта. Это связ ано с заменой аминокислотных остатков в пассивной части белка: такие зам ены не оказывают существенного влияния на структуру и функции белка. Мутации со сдвигом рамки считывания (фреймшифты) происходят в результат е вставки или потери нуклеотидных пар, при этом общая длина ДНК изменяет ся. В результате происходит полное изменение структуры белка. Мутации со сдвигом рамки считывания составл яют ~ 80% от всех генных мутаций. Вставки иначе называются инсерциями, а поте ри – эксцизиями. Процесс образования вставок называется инсерционным мутагенезом. Инсерционный мутагенез необходимо учитывать в генной инж енерии. Нонсенс– мутации. Особую группу генных мутаций составляют нонсенс– му тации с появлением стоп– кодонов. Нонсенс– мутации могут возникать ка к вследствие замен нуклеотидных пар, так и с потерями или вставками. С поя вление стоп– кодонов синтез полипептида вообще обрывается. В результа те могут возникать нуль– аллели, которым не соответствует ни один белок. Кроме того, мутация в одном гене может подавлять мутации, происходящие в других (неаллельных) генах. Это явление называется межгенной супрессией . Дополнения Дополнение 1. Существуют особые мутации, влияющие на экспре ссию генов у эукариот 1. Мутации, изменяющие степень компактизации ДНК. В гигантских политенны х хромосомах и в хромосомах типа ламповых щеток описаны мутации, инактив ирующие ген, расположенный в каком-либо одном участке ДНК, т.е. блокирующи е декомпактизацию хроматина. Скрещивание гетерозигот по таким регулят орным мутациям в F2 дает расщепление , указывая на то, что они затрагивают единичные менделирующие факторы. 2. Гомеозисные мутации. Изменяют порядок экспрессии генов. Фенотипически й эффект гомеозисных мутаций заключается в превращении одних органов в другие. Например, у мушки Дрозофилы мутация группы bithorax, контролирующих ра звитие грудных и брюшных сегментов у дрозофилы, может приводить к появле нию крылоподобных образований вместо галтеров; мутации группы antennapedia выра жаются в том, что у насекомых на месте антенн вырастают ножки; мутации ophthalmoptera – развитие крыла из имагинального диска глаза; мутации proboscipedia – разв итие ноги или части антенны (в зависимости от температуры) вместо хоботк а; у мутантов tumorous head ткани головы замещаются другими типами тканей, включая структуры, характерные для гениталий. Дополнение 2. Некоторые мутации обладают плейотропным действием, т.е. при водят к изменению сразу нескольких признаков. Пример 1. Ароматические аминокислоты – триптофан, фенилаланин, тирозин – образуются из хоризмовой кислоты. Если некоторая мутация заблокируе т хотя бы один этап синтеза хоризмовой кислоты, то клетка (организм) утрач ивает способность к синтезу сразу трех аминокислот. Пример 2. Один и тот же фермент (трансаминаза) контролирует синтез валина ( из б– кетоизовалериановой кислоты) и изол ейцина (из б– кето– в– метилвалериановой кислоты). Если некоторая мутация наруши т функции этого фермента, то клетка (организм) утрачивает способность к с интезу сразу двух аминокислот. Методы выявления генных мутаций Сложность выявления генных мутаций связана, во-первых, с ре цессивностью большинства мутаций (вероятность их фенотипического проя вления ничтожно мала), а во вторых с летальностью многих из них (мутанты не выживают). Все множество методов выявления генных мутаций можно разделить на две г руппы: методы генетического анализа и биохимические методы. 1. Методы генетического анализа основаны на скрещивании возможных носит елей мутации с тестерными линиями (линиями-анализаторами). Самый простой метод – это скрещивание носителей предполагаемой мутации с соответст вующей рецессивно-гомозиготной линией, т.е. обычное анализирующее скрещ ивание. Однако этот метод не позволяет выявить неизвестные мутации, а также лета льные мутации. Поэтому создаются специальные тестерные линии для учета летальных мутаций. Методы выявления летальных мутаций Например, у мушки дрозофилы синтезирована тестерная лини я М– 5 (Мёллер– 5), которая характеризуется особой структурой X– хромосом у самок. В этих хромосомах имеются аллели с определенным фенотипическим проявлением (доминантный аллель B – полосковидные глаза; рецессивный а ллель wa – абрикосовые глаза; кроме того, имеется еще один аллель – sc, конт ролирующий отсутствие щетинок, но он в анализе обычно не учитывается). В х ромосомах М– 5 изменен порядок генов: имеется одна большая инверсия и од на малая, расположенная внутри большой (инверсии будут рассмотрены ниже ); такое строение хромосом исключает появление кроссоверных особей при с крещивании мушек М– 5 с другими линиями. Для выявления мутаций используются самцы дикого типа – с нормальными X – хромосомами (аллели В+ и w+ – нормальные красные глаза, sc+ – нормальные щ етинки; нормальный порядок генов). Эти самцы подвергаются обработке мута генами (факторами, повышающими частоту мутаций). В результате в их половы х клетках часть X– хромосом мутирует, т.е. в них возникают мутации. Обработ анные самцы скрещиваются с самками М– 5. В первом поколении (F1) все самки им еют полосковидные темно-красные глаза, а самцы – абрикосовые полоскови дные глаза. Кроме того, часть самок получает от отцов по нормальный X– хро мосоме, а часть – по мутантной X– хромосоме. Все самцы получают от матере й М– 5 только немутантные хромосомы с аллелями В и wa. В F1 рецессивные мутаци и у самок, даже если они есть, не дают летального эффекта, поскольку они на ходятся в гетерозиготном состоянии: мутантная X– хромосома дикого типа от отца сочетается с немутантной М– 5– хромосомой от матери. Затем гибриды первого поколения скрещиваются между собой, и потомство к аждой самки выращивается отдельно. Часть самок несет немутантную X– хро мосому дикого типа, и в их потомстве обнаруживаются немутантные самцы ди кого типа. Однако некоторая часть самок несет мутантную X– хромосому дик ого типа с летальной мутацией; соответственно их сыновья, получившие так ие хромосомы, не выживают, и самцы дикого типа в потомстве самок– носите льниц не обнаруживаются. Ниже приведены схемы скрещивания, иллюстрирую щие принцип использования метода Мёллер– 5 (символом l обозначены леталь ные мутации). В настоящее время, кроме тестерной линии М– 5 используются и другие тестерные лини мушек дрозофил и других модельных объектов. Напр имер, существуют тест-системы, позволяющие выявлять мутации X-хромосомах самцов в первом же поколении, а также мутации в аутосомах. Применение эти х линий позволяет изучать закономерности мутационного процесса, однак о классический генетический анализ далеко не всегда можно использоват ь для выявления мутаций в популяциях человека и многих других организмо в. 2. Биохимически е методы выявления мутаций исключительно р азнообразны и основаны на применении разли чных методик. а). Методики, основанные на выявлении определенных биохими ческих продуктов мутантных генов. Легче всего выявлять мутации по измен ению активности ферментов или по утрате какого-либо биохимического при знака. Например, у микроорганизмов на селективных питательных средах вы являются ауксотрофные формы, не способные синтезировать определенные вещества (по сравнению с нормальными, прототрофными формами ). б). Методики, основанные на непосредственном выявле нии измененных нуклеиновых кислот и белков с помощью гель-электрофорез а в сочетании с другими методиками (блот-гибридизации, авторадиографии).